# Зачем Вселенной десять измерений и как их ищут в ЦЕРНе?

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=YtdE662eY_M
Канал: TED
Опубликовано: 23.04.2008

---

В 1919 году практически неизвестный немецкий математик Теодор Калуца выдвинул парадоксальную гипотезу о том, что наша Вселенная имеет больше трех привычных пространственных измерений. Физик-теоретик Брайан Грин на сцене конференции TED рассказывает, как эта некогда забытая идея возродилась в рамках современной теории суперструн и почему разгадка фундаментальных законов космоса может зависеть от геометрии микроскопических скрытых миров. Сегодня ученые стоят на пороге экспериментов, способных доказать многомерность нашего пространства в ближайшие годы.

## 🌌 От Ньютона к Эйнштейну: природа гравитации
[[JUMP:01:12]]

Размышления о скрытых измерениях Брайан Грин начинает с исторического экскурса, переносящего слушателей в 1907 год. В этот период Альберт Эйнштейн, только что разработавший специальную теорию относительности, решил поставить перед собой новую масштабную задачу — полностью разгадать механизм работы всеобъемлющей силы гравитации.

В то время научное сообщество полагало, что эта проблема давно решена Исааком Ньютоном. В конце 1600-х годов Ньютон подарил миру математическую модель гравитации, которая безупречно описывала движение планет, орбиту Луны и падение яблок с деревьев. Однако Эйнштейн осознавал, что Ньютон упустил важную деталь. Ньютон сам признавал, что, научившись вычислять силу гравитационного воздействия, он так и не смог понять, как именно оно передается. Оставалось загадкой, каким образом Солнце, находящееся на расстоянии 93 миллионов миль, умудряется влиять на траекторию Земли сквозь пустое, инертное пространство.

Эйнштейн совершил переворот, установив, что средой, передающей гравитацию, является само пространство. Основные этапы этой научной эволюции можно представить следующим образом:

* **Модель Ньютона (конец 1600-х):** Гравитация рассчитывается как мгновенное дальнодействие, но физический посредник взаимодействия остается неизвестным.
* **Гипотеза Эйнштейна (1907):** Пространство не является статичной сценой; оно пластично и способно менять свою форму под воздействием массы.
* **Искривление ткани пространства:** В отсутствие материи пространство плоско, но массивные объекты вроде Солнца продавливают и деформируют его.
* **Орбитальное движение:** Земля и Луна удерживаются на своих орбитах потому, что они просто катятся по «долинам», образованным искривлением пространственной ткани вокруг массивных тел.

Эта революционная концепция была экспериментально подтверждена в 1919 году с помощью астрономических наблюдений во время солнечного затмения, что принесло Эйнштейну всемирную славу.

## 📐 Пятое измерение Теодора Калуцы
[[JUMP:03:40]]

Именно триумф Эйнштейна заставил математика Теодора Калуцу задуматься о создании единой теории поля. Ученые искали универсальное уравнение, способное описать все силы природы на основе единого набора принципов. В то время физике были известны только две фундаментальные силы: гравитация и электромагнетизм, отвечающий за электричество и магнитное притяжение.

Калуца предположил, что если Эйнштейну удалось описать гравитацию через изгибы пространства и времени, то аналогичный трюк можно провернуть и с электромагнетизмом. Но где должны происходить эти изгибы, если Эйнштейн уже «израсходовал» известное нам пространство-время? Калуца выдвинул смелую гипотезу: в нашей Вселенной есть дополнительные пространственные измерения. Он математически смоделировал мир, в котором пространственных измерений не три, а четыре.

Когда Калуца записал уравнения, описывающие деформации в четырехмерном пространстве, произошло нечто поразительное:

1.  Он обнаружил стандартные уравнения гравитации Эйнштейна, которые были известны для трех измерений.
2.  Благодаря введению одного дополнительного измерения в расчетах автоматически появилось еще одно уравнение.
3.  При детальном изучении это уравнение оказалось в точности тем самым законом, который физики давно использовали для описания электромагнитной силы.

По словам Брайана Грина, Калуца был настолько воодушевлен этим математическим триумфом, что бегал по своему дому с криками «Победа!». Спикер отмечает, что Калуца был человеком, который относился к теории с предельной, порой экстремальной серьезностью. Существует полуанекдотическая история о том, что когда Калуца решил научиться плавать, он сначала досконально изучил теоретический трактат о плавании и только после этого прыгнул в открытый океан, готовый рискнуть жизнью ради проверки теории на практике.

## 🐜 Загадка Оскара Клейна: почему мы не видим невидимое
[[JUMP:06:04]]

Для людей с практическим складом ума открытие Калуцы сразу же породило два очевидных вопроса: если дополнительные измерения существуют, то почему мы их не замечаем, и работает ли эта теория при детальном применении к реальному миру?

Ответ на первый вопрос в 1926 году предложил шведский физик Оскар Клейн. По его мнению, пространственные измерения могут существовать в двух разновидностях: они бывают большими и легко различимыми, а бывают крошечными и свернутыми в петли. Эти свернутые измерения могут находиться повсюду вокруг нас, но оставаться невидимыми из-за своих масштабов.

Чтобы сделать эту абстрактную идею понятной, Брайан Грин прибегает к наглядной аналогии с кабелем, на котором подвешен светофор в Манхэттене неподалеку от Центрального парка. С большого расстояния этот толстый кабель кажется нам строго одномерной линией, лишенной толщины. Однако если мы приблизим изображение и посмотрим на кабель с позиции крошечного муравья, картина радикально изменится:

* **Макроскопический взгляд:** Человек видит только одно большое измерение — длину кабеля (движение «вперед-назад»).
* **Микроскопический взгляд:** Маленький муравей за счет своих размеров получает доступ ко второму измерению — окружности кабеля. Он может двигаться как вдоль него, так и вращаться вокруг него по часовой или против часовой стрелки.

Экстраполируя этот пример на структуру самого космоса, Оскар Клейн предположил, что привычная нам трехмерная сетка пространства — это лишь макроскопический уровень Вселенной. Если спуститься глубоко в микроскопические недра пространства, в каждой его точке скрываются дополнительные свернутые измерения в форме крошечных кругов. Сверхмикроскопический муравей мог бы перемещаться по большим известным нам осям, но в то же время постоянно вращался бы внутри этих невидимых петель.

Что касается второго вопроса — работоспособности теории — то здесь первоначальный энтузиазм угас. Эйнштейн, Калуца и Клейн долго пытались развить эту математическую рамку и применить ее к физике элементарных частиц, но столкнулись с непреодолимыми трудностями. В деталях теория давала сбой: например, ученым так и не удалось корректно рассчитать массу электрона в рамках пятимерной модели. К 1940-м и 1950-м годам эта красивая идея была на время заброшена.

## 🎸 Эра суперструн: гармония космической музыки
[[JUMP:09:04]]

Новое рождение многомерная концепция получила в современную эпоху благодаря развитию теории суперструн, которой занимается и сам Брайан Грин. Изначально теория струн не имела прямого отношения к гипотезе Калуцы и Клейна, но в процессе математического развития она реанимировала ее в совершенно новой, блестящей форме.

Теория суперструн пытается ответить на фундаментальный вопрос: из чего состоят неделимые, базовые кирпичики всего сущего? Если мы начнем мысленное погружение внутрь любого привычного объекта, например, обычной восковой свечи, то классическая физика проведет нас по цепочке:

* **Атомы:** Базовые составляющие вещества.
* **Электроны и ядро:** Легкие частицы, роящиеся вокруг центрального ядра, состоящего из протонов и нейтронов.
* **Кварки:** Субэлементарные частицы, из которых построены сами протоны и нейтроны.

На уровне кварков традиционные учебники физики ставят точку, рассматривая их как бесструктурные материальные точки. Теория суперструн предлагает принципиально иной взгляд: глубоко внутри каждой из этих частиц скрывается танцующее волокно энергии, напоминающее вибрирующую нить или струну.

Как объясняет Брайан Грин, эти микроскопические энергетические нити колеблются на разных частотах. Подобно струнам виолончели, которые при разных колебаниях издают разные музыкальные ноты, суперструны при различных паттернах вибрации порождают разные элементарные частицы. 

Изменение частоты колебаний струны меняет саму природу частицы: одна частота создает электрон, другая — кварк, третья — фотон или гравитон. Таким образом, вся материя и все силы природы объединяются под крышей единой концепции: Вселенная представляет собой грандиозную космическую симфонию, исполняемую вибрирующими струнами.

И вот здесь возникает важнейшая математическая взаимосвязь с идеями вековой давности. Когда физики рассчитывают уравнения теории струн, они обнаруживают, что математика категорически отказывается работать в трехмерной, четырехмерной или даже пятимерной Вселенной. Уравнения струн становятся непротиворечивыми и жизнеспособными только в одном единственном случае — если Вселенная имеет ровно 10 пространственных измерений и 1 временное измерение. Это открытие вернуло ученых прямиком к наследию Калуцы и Клейна.

## 🐚 Пространства Калаби-Яу и 20 фундаментальных чисел
[[JUMP:12:48]]

По мнению Брайана Грина и его коллег, скрытые измерения могут содержать ключ к разрешению одного из самых интригующих вопросов в теоретической науке. На протяжении последнего столетия физики измерили около 20 фундаментальных чисел, которые детально описывают нашу Вселенную. В этот список входят массы электронов и кварков, сила гравитационного притяжения, интенсивность электромагнитного взаимодействия и другие константы. Эти параметры измерены с колоссальной точностью, но ни одна современная теория не способна объяснить, почему они имеют именно такие значения, а не какие-либо другие.

При этом наш мир устроен поразительно тонко. Брайан Грин подчеркивает, что если бы эти 20 чисел имели хоть немного другие значения, Вселенная в привычном виде просто не смогла бы существовать. Если представить перед собой пульт с 20 регуляторами для каждого из этих чисел, то практически любое, даже самое незначительное изменение настроек приведет к тому, что звезды не смогут загореться, планеты не сформируются, а ткань космоса исчезнет.

Теория суперструн предполагает, что значения этих 20 констант жестко предопределены геометрической формой дополнительных измерений. В отличие от старых моделей Калуцы и Клейна, где измерение сворачивалось в простой круг, теория струн постулирует наличие шести свернутых пространств, которые переплетаются в сложнейшие геометрические фигуры, называемые пространствами Калаби-Яу. Когда мы делаем взмах рукой в макромире, мы, сами того не замечая, постоянно перемещаемся сквозь эти микроскопические переплетенные лабиринты, присутствующие в каждой точке пространства.

Связь между формой этих измерений и физическими константами Грин иллюстрирует на примере валторны. Звучание этого музыкального инструмента, резонанс и характер вибрации воздушного потока напрямую зависят от всех изгибов, завитков и геометрии его внутренних трубок. В теории струн все фундаментальные свойства частиц — это отражение того, как именно вибрируют энергетические нити. Поскольку струны двигаются внутри пространств Калаби-Яу, геометрия этих скрытых измерений накладывает жесткие ограничения на доступные паттерны их колебаний.

Следовательно, по мнению Грина, если ученые смогут точно выяснить, как именно выглядят дополнительные измерения в нашей Вселенной, они смогут математически рассчитать все допустимые «ноты» вибрации струн. Из этих расчетов физики надеются вывести значения тех самых 20 фундаментальных чисел. Если теоретически вычисленные массы и силы совпадут с данными реальных экспериментов, человечество впервые получит исчерпывающее объяснение того, почему структура Вселенной является именно такой.

## 🔬 Эксперимент в ЦЕРНе: как поймать улетающий гравитон
[[JUMP:16:04]]

Самым интригующим аспектом этой масштабной теоретической конструкции является возможность ее прямой экспериментальной проверки. Брайан Грин с оптимизмом заявляет, что наука способна зафиксировать следы скрытых измерений в ближайшие годы.

Главные надежды ученых связаны с Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве, где функционирует Большой адронный коллайдер (БАК). Этот гигантский подземный ускоритель разгоняет элементарные частицы в противоположных направлениях по круговому туннелю до скоростей, вплотную приближающихся к скорости света, после чего направляет их друг на друга для лобового столкновения.

Идея эксперимента по поиску многомерности заключается в следующем:

* **Высокоэнергетическое столкновение:** При столкновении протонов рождается колоссальная плотность энергии.
* **Выброс осколков материи:** По расчетам физиков, выделяющейся энергии должно быть достаточно, чтобы буквально выдавить часть образовавшихся микроскопических осколков из наших трех привычных измерений в скрытые измерения Калаби-Яу.
* **Фиксация нехватки энергии:** Напрямую заглянуть в иные измерения детекторы БАК не могут. Однако физики способны с филигранной точностью замерить суммарную энергию всех частиц до столкновения и сопоставить ее с энергией осколков после него.
* **Поиск дефицита:** Если количество энергии после столкновения окажется меньше первоначального, это станет неопровержимым доказательством того, что часть материи покинула наш трехмерный мир.

Главным кандидатом на роль «беглеца» в иные миры физики называют гравитон — гипотетическую элементарную частицу, которая является квантом гравитационного поля. Если эксперименты на БАК зафиксируют исчезновение энергии, улетающей вместе с гравитонами по строго предсказанной математической схеме, существование дополнительных скрытых измерений будет окончательно доказано.

Подводя итог, Брайан Грин отмечает, что человечество прошло удивительный путь в понимании пространства. Исаак Ньютон видел в пространстве лишь статичную, абсолютную сцену, на которой разворачиваются события. Альберт Эйнштейн доказал, что эта сцена может прогибаться и растягиваться, порождая гравитацию. Современная же теория суперструн делает еще более радикальный шаг, заявляя, что гравитация, квантовая механика и электромагнетизм могут сосуществовать без противоречий только в том случае, если Вселенная скрывает в себе гораздо больше измерений, чем мы способны увидеть невооруженным глазом.